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煤粒瓦斯放散规律、机理与动力学模型研究

作　者: 刘彦伟
导　师: 刘明举
学　校: 河南理工大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 煤粒瓦斯放散规律机理动力学模型孔隙结构
分类号: TD712
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

煤粒的瓦斯放散规律、机理和模型的研究是煤层瓦斯含量测定、突出危险性预测参数测定、落煤的瓦斯涌出和煤层气开发等方面的关键科学问题之一。采用物理模拟试验、孔隙结构实验测定、数学建模、理论分析和数值解算等方法，研究了煤粒瓦斯放散规律及其影响因素、瓦斯放散机理和物理数学模型，研究成果完善了煤粒瓦斯放散规律和理论。研制了具有温控功能的大质量煤样高效瓦斯吸附解吸实验系统，实验研究了吸附平衡压力、变质程度、破坏程度、粒度、水分和环境温度等因素对煤粒瓦斯放散动力学的影响规律和机理；采用压汞、低温液氮等温吸附和扫描电镜等手段测定了不同变质程度和不同破坏类型煤的孔裂隙结构参数，结合前人关于煤分子结构和孔隙结构的研究成果，研究了变质程度和破坏程度对煤的孔隙结构控制特征，探讨了动力变质对瓦斯放散规律的影响，进一步完善了变质程度和破坏程度对煤粒瓦斯放散影响规律和机理；在实验研究基础上，根据气体在多孔介质扩散理论，补充完善了煤粒的瓦斯放散机理，结合变扩散系数规律，建立了基于连续性扩散理论的三层孔隙结构物理数学扩散模型，求出了通解，进行了理论探讨和验证。实验研究结果表明：不同吸附平衡压力下的瓦斯放散速度随时间变化关系可表示为：V=B·P^kp·t^-kt，但同一煤样，不同时间段，相关参数均发生变化；吸附平衡瓦斯压力对煤粒瓦斯扩散系数的影响可忽略不计；变质程度对极限瓦斯放散量的影响呈U型变化，扩散系数总体随变质程度的提高呈增大趋势，但变质程度为贫瘦煤的鹤壁煤样高于无烟煤的晋城煤样；软、硬煤的极限瓦斯放散量相差不大，软煤稍高于硬煤；相同时间段，软煤瓦斯放散量和瓦斯放散速度明显大于硬煤；9个经验公式中乌式更适合描述整个瓦斯放散过程，但相关系数仍偏低，软煤的扩散系数明显高于硬煤，基本在2¹0倍之间变化，随时间延长而衰减，衰减程度相对较大；软、硬煤瓦斯放散初速度差值随粒度的减小而减小，提出了原始粒度概念，粒度差别是软硬煤差别的本质特征之一；瓦斯扩散参数KB随粒度的减小而增大，扩散系数随粒度减小而减小；气态水分减小了极限瓦斯放散量、瓦斯放散初速度和扩散系数，查明了气态水对煤粒水对瓦斯放散的影响机理；理论推导了瓦斯扩散量与温度T呈指数关系，建立了瓦斯放散量随环境温度呈指数变化的修正公式，扩散系数随温度升高而增大，查明了温度对瓦斯扩散系数的影响机理。孔隙结构测定结果表明，破坏程度增加了煤的总孔容、中孔、过渡孔、大孔孔容和比表面积，其中中孔增加最显著，孔隙连通性也得到明显改善，微孔变化不明显；随变质程度提高，总体上，总孔容呈指数下降，大孔、中孔和过渡孔呈下降趋势，微孔逐渐升高，比表面积呈U型变化。结合煤的分子结构研究成果，动力变质作用在一定程度上改变了微孔结构。理论分析表明，煤粒吸附瓦斯的放散过程，可用气体在多孔介质中的扩散理论描述，扩散模式包括细孔扩散、表面扩散和晶体扩散，其中，细孔扩散决定了煤粒瓦斯的动力学特性，实际煤粒的瓦斯扩散参数受孔隙直径、孔分布、迂曲度和连通性等孔隙结构特征参数控制，表现出随时间衰减的现象，主要由煤粒内孔隙和瓦斯分布不均匀造成的。在以上研究的基础上，结合气体在多孔介质扩散物理数学模型存在的问题，建立了基于煤粒瓦斯连续性扩散理论的三层结构新模型，推导出了扩散率关于放散时间的无穷级数通解，扩散率与时间呈指数关系，经数值验证，与煤粒瓦斯扩散实验规律基本一致，拟合的相关参数反映了软、硬煤的孔隙结构和扩散规律方面差异。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-13
1 绪论  13-39
  1.1 研究背景  13-19
  1.2 国内外研究现状  19-33
    1.2.1 煤的瓦斯放散规律研究现状  19-23
    1.2.2 煤粒瓦斯放散规律的影响因素研究现状  23-28
    1.2.3 煤粒的瓦斯放散机理研究现状  28-29
    1.2.4 煤粒的瓦斯放散动力学物理-数学模型  29-30
    1.2.5 瓦斯解吸规律的应用  30-32
    1.2.6 存在问题  32-33
  1.3 目的和意义  33-34
  1.4 主要研究内容、方法及路线  34-37
    1.4.1 主要研究内容  34-35
    1.4.2 研究目标  35
    1.4.3 拟解决的关键科学问题  35
    1.4.4 研究方法与技术路线  35-37
  1.5 本章小结  37-39
2 煤的瓦斯放散实验系统研制与煤样的制备  39-49
  2.1 煤的瓦斯放散实验系统的研制  39-42
    2.1.1 实验仪器的系统结构  40-41
    2.1.2 实验仪器的功能分析  41-42
  2.2 实验仪器体积的标定  42-43
  2.3 实验系统死空间游离瓦斯体积的测定  43
  2.4 煤样制备  43-47
    2.4.1 煤样的采集与制作  43-44
    2.4.2 实验煤样的制备  44-45
    2.4.3 煤样的基本参数测定结果  45
    2.4.4 不同水分煤样制作  45-47
  2.5 测定数据处理  47-48
  2.6 本章小结  48-49
3 煤粒瓦斯放散规律实验研究  49-95
  3.1 吸附平衡压力对瓦斯放散规律的影响  49-56
    3.1.1 平衡压力对瓦斯放散量的影响  49-50
    3.1.2 平衡压力对瓦斯放散速度的影响  50-54
    3.1.3 平衡压力对瓦斯放散系数的影响  54-56
  3.2 变质程度对瓦斯放散规律的影响  56-60
    3.2.1 变质程度对瓦斯放散量的影响  57-58
    3.2.2 变质程度对瓦斯放散速度的影响  58
    3.2.3 变质程度对瓦斯放散系数的影响  58-60
  3.3 破坏程度对瓦斯放散规律的影响  60-67
    3.3.1 破坏程度对瓦斯放散量的影响  60-66
    3.3.2 破坏程度对瓦斯放散系数的影响  66-67
  3.4 粒度对瓦斯放散规律的影响  67-75
    3.4.1 粒度对瓦斯放散量的影响  67-69
    3.4.2 粒度对瓦斯放散速度的影响  69-73
    3.4.3 粒度对扩散系数的影响  73-75
  3.5 水分对瓦斯放散规律的影响  75-82
    3.5.1 水分对瓦斯放散量的影响  76-78
    3.5.2 水分对瓦斯扩散系数的影响  78-81
    3.5.3 水分对瓦斯放散规律的影响机理  81-82
  3.6 环境温度对瓦斯放散规律的影响  82-92
    3.6.1 理论分析  83-84
    3.6.2 物理模拟实验  84-90
    3.6.3 环境温度对瓦斯放散规律的影响机理  90-92
  3.7 本章小结  92-95
4 煤的孔隙结构特征  95-121
  4.1 煤的分子结构  95-96
  4.2 煤的孔隙结构  96-117
    4.2.1 微米级孔径结构特征  98-112
    4.2.2 纳米级孔径结构特征  112-117
  4.3 煤的大孔裂隙扫描电镜实验  117-119
  4.4 本章小结  119-121
5 煤粒的瓦斯放散机理与模型研究  121-143
  5.1 煤粒的瓦斯放散机理  121-126
    5.1.1 煤粒内瓦斯流动方式探讨  121-122
    5.1.2 扩散模式  122-125
    5.1.3 扩散系数随时间变化的机理  125-126
    5.1.4 软、硬煤扩散系数特征差异机理  126
  5.2 煤粒瓦斯放散物理-数学模型  126-139
    5.2.1 均质煤粒瓦斯扩散模型  126-132
    5.2.2 均质煤粒存在的问题  132-133
    5.2.3 双孔隙结构煤粒瓦斯扩散模型  133-135
    5.2.4 新模型的建立  135-139
  5.3 新模型通解的讨论与验证  139-142
    5.3.1 通解的讨论  140
    5.3.2 通解的实验验证  140-142
  5.4 本章小结  142-143
6 主要结论及创新点  143-147
  6.1 主要结论  143-145
  6.2 创新点  145
  6.3 对今后研究工作的展望  145-147
参考文献  147-157
作者简历  157-159
学位论文数据集  159

煤粒瓦斯放散规律、机理与动力学模型研究

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